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高压钠灯 ─ 2004.12.29 高压钠灯泡 高压钠灯电弧管 为什么会发光？ 高温下气体电离（正离子与电子数量相等），并伴随着激发和发光 沙哈定理： 等离子体的电导率 等离子体的电导率由电子决定。电子质量远小于离子。 等离子体的电导率σ与电子密度ne成正比，与碰撞频率θc成反比。 气体压力增加，碰撞频率就增加，因此电导率减小，电阻增大，管压也就升高。 电子密度随温度的升高迅速增大。电弧中心温度最高，电子密度最大，电导率也最大。 等离子体从电场中吸收的功率为 P = I E = σE2。 电极 电极通过热电子发射，将电场的能量持续地传输给等离子体。 电极材料要求有良好的导电性、高的熔点、低的发射函数和好的耐化学腐蚀性。 符合上述条件的材料只有钨。为了进一步降低发射函数，在电极上再加上一些发射材料。 电极在高温下工作，电极材料会逐渐蒸发，导致电弧管发黑，光通量下降。 电极发射函数降低，可降低电极的能量损耗。 高压钠灯的工作温度 陶瓷管的熔点在2400K。 高于1500K时，氧化铝陶瓷开始有蒸发发生，并沉积在玻壳上使其发黑，影响光输出。 温度更高时，钠会和氧化铝陶瓷发生反应。 发光原理 钠的能级图 高压钠灯的工作物质 钠：辐射物质，第一激发电位2.1V，电离电位2.5V， 决定灯的光性能 汞：缓冲气体，第一激发电位4.9V，电离电位10.4V，决定电和热性能 氙：启动气体，第一激发电位8.4V，电离电位12.1V，要求低的热导率 钠汞齐：4mg钠/16mg汞。 实际只有0.07mg钠和5.7mg汞蒸发（1025K）。 汞的作用 1）增加电场强度（管压），使灯体积缩小。 钠压100torr时光效最高 钠压100torr，汞压 0 torr时，电场强度7.5V/cm 钠压100torr，汞压1000torr时，电场强度15V/cm 2）减小热导损耗，提高灯的发光效率。 汞的热导效率是钠的一半。 3）改善灯的颜色。汞在蓝、绿部分有辐射。 选择电弧管直径和电极距离使管壁温度在1500K（钠压100torr） 氙的作用 电弧管内充10~20torr氙气作为启动气体。在所有非放射性气体中，氙有最低的热导率，因此光效最高。 氙的热导率与汞相当，充入高压氙气的灯中可不需要用汞来增加光效。 室温时充200torr的氙气，灯工作时达2000torr，可使光效提高15%。 氙对电场强度几乎没有影响。为了得到所需的管压，还是要加汞。 人的视觉 高压钠灯光谱 光谱线宽度 自然线宽：根据量子物理，激发能级的高度与能级的寿命成反比。寿命越短，能级高度越不确定。 多普勒加宽：原子本身的不规则运动，使光频率变化。多普勒加宽是对称的，高压钠灯中其宽度在0.4nm数量级。 压力加宽（密度加宽）： 邻近原子的干扰，导致激发 原子的能级发生变化。谱线 不一定对称。 自吸收 辐射通过等离子体向外传播的途中会部分地被吸收（自吸收）。 自吸收对不同波长不相等，在共振辐射（激发态到基态的辐射）处最强。 压力越高，吸收越强。可用??代表压力高低。 光效和显色性 压力增加使??增大，谱线范围更宽广，显色指数Ra增大；而光效η受人眼视觉的影响反而下降。 一般高压钠灯以光效为目标，如400W灯??=10nm。 高压钠灯能量分布 输入灯功率 Wla =400 W 光通量φ=48000 lm 光效η=120 lm/W 色温 Tc =2100K 显色指数 Ra =23 平均视觉指数 Vs =0.6 灯的启动 在通常情况下气体不导电。要点亮灯，需用某种方法产生初始电子。 气体电离：用高频火花器使气体电离。 加热电极：给电极灯丝通电加热从而产生热电子发射（如荧光灯）。 缩小极距：采用辅助电极（触发极）缩小启动时电极间的距离以增加电场强度，使电极中电子发射（场致发射），如高压汞灯等。 提供高压：在点灯初期提供一个比正常工作电压高得多的电压，增加电场强度，如触发器等。 雪崩过程 气体放电的伏安特性 电子温度和气体温度 高压钠灯的基本电路 通电后触发器开始工作，产生高压脉冲将灯点亮。此时灯的管压很低，电流很大，触发器停止工作。大的电流加热电极和陶瓷管，也使钠汞齐蒸发。气压和气温逐渐上升，电流减小，管压增加。当输入的功率（由电源和镇流器决定）与变为等离子体的气体损耗平衡时，灯稳定在相应的工作点。 高压钠灯的管压（1） 钠汞齐中汞的比例越高，管压就越高。 考虑到钠的损耗，灯中钠汞齐是过量的。灯寿命后期，由于钠的损耗，汞的相对比例增加，管压升高，甚至造成自熄。 考虑到钠灯寿命期间的管压升高，故将初始管压设计得较低。400W钠灯100V，同功率汞灯和金卤灯135V。